Бактериальный шаперонин GroE • Картинка дня (original) (raw)

На этой картинке изображен белковый комплекс GroE (GroEL/GroES) — шаперонин бактерий. Шаперонины (см. Chaperonin) — это функциональная группа белков, которая входит в более широкий класс белков — шапероны. Шапероны ассистируют другим белкам при их синтезе, транспорте, деградации. Самая известная функция шаперонов — помогать только что синтезированным или поврежденным белкам обрести правильную пространственную структуру. Дело в том, что «плохо сложенный» белок не только не выполняет свои функции, но и может быть опасным. Например, такие белки склонны соединяться в агрегаты (см. Protein aggregation), способные повредить клетку. Шаперонины и другие шапероны есть не только у бактерий: они необходимы всем живым существам и даже вирусам.

У всех бактерий GroE устроен одинаково. Как и другие шаперонины, GroE представляет собой мультисубъединичный комплекс (состоящий из множества мономеров — субъединиц), похожий на горшочек с крышкой. «Горшочек» — шаперонин GroEL — образован двумя кольцами, лежащими друг на друге. Каждое такое колечко — гептамер, то есть состоит из семи одинаковых белковых субъединиц (их структура видна на верхнем рисунке). Субъединицы в обоих кольцах одинаковые, но находятся в разной конфигурации. «Крышка» (красная на верхнем рисунке) — GroES — это тоже гептамерный кольцевой комплекс, но мономеры в нем другие.

Внутри комплекса есть полость, в которую попадают белки, нуждающиеся в помощи. Такие белки узнаются шаперонином по торчащим гидрофобным (неполярным) участкам, которые в норме не выставлены в цитоплазму, а находятся внутри белковой структуры. Цитоплазма клетки — полярная среда (ее составляют полярные молекулы воды), поэтому поверхность находящихся в ней белков тоже должна быть полярна. Торчащие гидрофобные участки — это как раз то, что приводит к агрегации неправильно сложенных белков: подобно капелькам масла в воде, такие участки стремятся соединиться.

Шаперонин работает как настоящая молекулярная машина: когда субъединицы кольца GroEL с помощью специально расположенных гидрофобных остатков «ловят» неправильно сложенный белок, каждая из семи субъединиц связывает молекулу АТФ из цитоплазмы (главный источник энергии химических реакций в клетке). При этом конформация комплекса меняется: его внутреннее пространство расширяется, что может способствовать разворачиванию неправильной структуры белка, пойманного несколькими субъединицами кольца. Кроме того, кольцо получает способность соединиться с «крышкой» (GroES), которая «утрамбовывает» белок. Присоединение GroES снова меняет конформацию субъединиц кольца GroEL: окружение белка из гидрофобного становится гидрофильным, что может навести его на принятие правильной структуры. Еще при такой конформации комплекса начинает происходить гидролиз связанных им молекул АТФ. Это необходимо для открытия крышки и высвобождения белка.

Точно не известно, что происходит с белком внутри шаперонина. Возможно, комплекс не просто препятствует агрегации, ограждая белок от окружения и давая ему время принять правильную конформацию, но и помогает белку ее достигнуть. Судя по всему, ему это удается благодаря уменьшению числа возможных состояний, которые может принимать молекула белка при сворачивании в пространственную структуру.

Поскольку комплекс GroEL состоит из двух колец, он может вмещать в себя два белка. Считается, что работа колец происходит асимметрично: в каждый момент времени только одно из них накрыто крышкой. Такую форму комплекса называют пулевидной (bullet form), именно она показана на верхнем изображении. Впрочем, есть свидетельства и в пользу существования симметричной формы, когда оба кольца GroEL накрыты крышками GroES (тогда комплекс похож на мяч для американского футбола).

Показано, что 10% белков кишечной палочки (Escherichia coli) связываются при трансляции (то есть синтезе белка) с GroEL. Примерно 80 белков не могут принимать нужную конфигурацию без шаперонина. Зная аминокислотную последовательность белка, можно предсказать, необходим ли ему шаперонин, потому что зависящие от него белки имеют общие структурные свойства. Очень крупные белки не помещаются в GroEL, однако всё равно могут с ним связываться для предотвращения агрегации.

Комплексов GroE в клетке мало, и белкам, которым он необходим, приходится ждать своей очереди (в это время другие шапероны помогают им воздержаться от принятия неправильной конформации). Дело в том, что и синтез, и работа шаперонина — дело энергозатратное. Несмотря на это, GroE есть у большинства бактерий. У немногих бактерий, не имеющих этого комплекса, белки без проблем формируют правильную структуру самостоятельно. Эта способность появилась за счет мутаций, снижающих склонность к агрегации. Итак, белки бактерий могут менять степень зависимости от GroE в процессе эволюции. Однако наличие его почти у всех известных бактерий говорит о том, что потеря шаперонина обходится в большинстве случаев дороже, чем его работа.

Благодаря способности GroE связывать и удерживать белки с подозрительной пространственной структурой, его используют для оценки опасности агрегации белков в составе лечебных препаратов при их хранении. Также шаперонин служит для фиксации склонных к агрегации белков для электронной микроскопии. Его даже хотят использовать как контейнер для доставки в клетки гидрофобных лекарств.

Изображение с сайта cgl.ucsf.edu, получено на основе криоэлектронной микроскопии комплекса GroE кишечной палочки.

Галина Клинк